¿Cuáles son los tipos de instrumentos de automatización?

Mucha gente nueva en instrumentación se siente abrumada al ver por primera vez la multitud de instrumentos en el sitio.

Con nombres como manómetros, termómetros, medidores de flujo, medidores de nivel, válvulas de control, transmisores, PLC, DCS, alarmas y analizadores, es fácil confundirse sobre cómo categorizarlos.

En realidad, la instrumentación de automatización no es tan compleja. Desde una perspectiva en el sitio, gira principalmente en torno a un solo objetivo: medir parámetros de proceso, transmitirlos, mostrarlos y controlarlos, al tiempo que se proporcionan alarmas y protección de equipos cuando sea necesario.

Según la función, los instrumentos de automatización se pueden dividir generalmente en seis categorías principales:

Instrumentos de medición de campo, instrumentos de control de campo, actuadores de campo, instrumentos de visualización y registro, instrumentos de regulación/control e instrumentos de medición especializados.

I. ¿Qué hacen los instrumentos de automatización?

Los instrumentos de automatización no son meros dispositivos para "leer valores".

En un bucle de control completo, los instrumentos de medición recopilan parámetros de campo, el controlador realiza análisis y cálculos, el actuador ejecuta acciones y los instrumentos de visualización/registro presentan datos a los operadores y los almacenan para el sistema.

Tomemos un bucle de control de temperatura, por ejemplo: un termopar o un termómetro de resistencia mide la temperatura; un transmisor de temperatura envía la señal a un PLC o DCS; el controlador calcula la respuesta requerida y emite una señal; y finalmente, una válvula de control ajusta el flujo de vapor, agua caliente o agua de refrigeración.

Por lo tanto, los instrumentos no existen de forma aislada. Al solucionar problemas en el sitio, uno no puede simplemente centrarse en un solo medidor; el instrumento debe analizarse en el contexto de todo el bucle de control.

II. Instrumentos de medición de campo

Los instrumentos de medición de campo sirven como fuente de datos para los sistemas de automatización. Si las mediciones son inexactas, las funciones posteriores de visualización, registro y control se verán comprometidas.

Los instrumentos de medición de campo comunes incluyen aquellos para medir el nivel de líquido, presión, temperatura y flujo, así como instrumentos de análisis de gas y líquido.

Los instrumentos de nivel se utilizan para medir niveles de líquido, niveles de material o posiciones de interfaz en tanques de almacenamiento, torres, reactores y silos. Los tipos comunes incluyen medidores de nivel de solapa magnética, medidores de nivel de tipo flotador, medidores de nivel de radar, medidores de nivel ultrasónicos, medidores de nivel capacitivos, medidores de nivel de presión diferencial e interruptores de nivel.

Los instrumentos de presión se utilizan para medir la presión, la presión diferencial o los niveles de vacío en tuberías, recipientes y equipos. Los tipos comunes incluyen manómetros, transmisores de presión, transmisores de presión diferencial, sensores de presión e interruptores de presión. Los manómetros se utilizan principalmente para lecturas en el sitio, los transmisores de presión para la transmisión de señales remotas y los interruptores de presión para alarmas y funciones de enclavamiento.

Los instrumentos de temperatura miden la temperatura de un medio o la superficie del equipo. Los tipos comunes incluyen termómetros bimetálicos, termómetros de vidrio, termopares, detectores de temperatura de resistencia (RTD), transmisores de temperatura, interruptores de temperatura y termómetros infrarrojos. Los termopares son adecuados para aplicaciones de alta temperatura, mientras que los RTD son más adecuados para mediciones de temperatura de baja a media.

Los instrumentos de flujo miden la tasa de flujo de gases, líquidos o vapor. Los tipos comunes incluyen medidores de flujo electromagnéticos, de vórtice, de turbina, ultrasónicos, másicos, de placa de orificio y de área variable (rotámetro). La selección requiere una verificación cuidadosa del medio, el rango de flujo, la presión y la temperatura, la viscosidad, la conductividad y los requisitos de tramo de tubería recta.

Los instrumentos de análisis de gas detectan la composición y concentración de gas. Los tipos comunes en el mercado incluyen analizadores de oxígeno, detectores de gas combustible, detectores de gas tóxico, analizadores de gas infrarrojos, analizadores de gas de conductividad térmica, analizadores de gas láser y cromatógrafos de gas.

Los instrumentos de análisis de líquido miden parámetros como pH, conductividad, turbidez, concentración, densidad, viscosidad, oxígeno disuelto, DQO y nitrógeno amoniacal. Estos instrumentos requieren un mantenimiento relativamente alto; la limpieza, la calibración y la inspección de las líneas de muestreo son tareas esenciales.

III. Instrumentos de control de campo

Los instrumentos de control de campo son responsables del procesamiento de señales en el sitio, la conversión de señales y el control local.

Los tipos comunes incluyen instrumentos de control neumáticos, eléctricos e hidráulicos.

Los instrumentos de control neumáticos utilizan aire comprimido como fuente de energía; tienen estructuras relativamente simples y siguen siendo valiosos en aplicaciones a prueba de explosiones. Los instrumentos de control eléctricos utilizan señales eléctricas, lo que facilita su integración con PLC, DCS y computadoras supervisoras. Los instrumentos de control hidráulicos proporcionan una alta fuerza de salida y se utilizan típicamente en aplicaciones de carga pesada o alto empuje.

Los factores clave al seleccionar estos instrumentos incluyen señales de entrada/salida, precisión de control, velocidad de respuesta, condiciones de la fuente de alimentación, clasificaciones a prueba de explosiones, el entorno del campo y las interfaces del sistema.

IV. Actuadores de campo

Los actuadores de campo son los componentes en un bucle de control que realizan la acción física real.

Después de que el sistema de control emite un comando, el actuador lo ejecuta ajustando válvulas, amortiguadores, compuertas o otras estructuras mecánicas para alterar las condiciones del proceso como la tasa de flujo, la presión, el nivel de líquido o la temperatura. Los dispositivos actuadores comunes incluyen válvulas de control neumáticas, eléctricas e hidráulicas; válvulas de cierre; válvulas de mariposa; válvulas de bola; válvulas de compuerta; actuadores; posicionadores de válvulas y posicionadores de válvulas inteligentes.

Durante el mantenimiento de campo, uno debe mirar más allá de si el actuador puede simplemente abrir y cerrar. También es necesario verificar el funcionamiento suave, el posicionamiento preciso, las señales de retroalimentación normales, los tiempos de respuesta apropiados y si la posición de seguridad cumple con los requisitos del proceso.

Muchas fluctuaciones de control no provienen de la configuración de los parámetros del controlador, sino de problemas como válvulas atascadas, posicionadores inexactos, presión de suministro de aire inestable o respuesta lenta del actuador.

V. Instrumentos de visualización y registro

Los instrumentos de visualización y registro muestran parámetros de campo, estado del equipo e información de alarma, al tiempo que almacenan datos críticos.

Los ejemplos comunes incluyen pantallas digitales, pantallas analógicas, controladores de visualización, escáneres multipunto, registradores basados en papel, registradores sin papel, HMI de pantalla táctil, terminales de estación de operador y dispositivos de alarma audibles/visuales.

Las pantallas digitales son adecuadas para el monitoreo de parámetros de un solo punto. Los controladores de visualización pueden incorporar funciones de alarma y control básico. Los registradores sin papel son ideales para rastrear tendencias en parámetros como temperatura, presión, flujo y nivel. Las HMI y las estaciones de operador se utilizan para interfaces visuales, configuración de parámetros, monitoreo de alarmas y operación de equipos.

Los criterios clave de selección incluyen señales de entrada, métodos de visualización, intervalos de registro, capacidad de almacenamiento, interfaces de comunicación, salidas de alarma y protección contra pérdida de energía.

VI. Instrumentos de regulación y control

Los instrumentos de regulación y control sirven como el "cerebro" del sistema de automatización, manejando la regulación automática, el control lógico, el control de secuencia y la protección de seguridad.

Los dispositivos de campo comunes incluyen controladores PID, reguladores de bucle único y de bucle múltiple, PLC, DCS, FCS, ESD, SIS y computadoras industriales.

Los controladores PID se utilizan típicamente para regular parámetros continuos como temperatura, presión, flujo y nivel. Los PLC se emplean comúnmente para operaciones de arranque/parada de equipos, control de secuencia, protección de enclavamiento y procesamiento de señales discretas (encendido/apagado). Los DCS son adecuados para el monitoreo centralizado y el control distribuido de unidades de producción continua a gran escala. Los SIS y ESD se utilizan principalmente para enclavamiento de seguridad y paradas de emergencia; no deben tratarse simplemente como sistemas de control estándar.

Los factores de selección incluyen el proceso controlado, el recuento de puntos de E/S, la estrategia de control, los protocolos de comunicación, los requisitos de redundancia, los niveles de integridad de seguridad (SIL), la gestión de alarmas y las capacidades de mantenimiento a largo plazo.

VII. Instrumentos de medición especializados

Los instrumentos de medición especializados se utilizan principalmente para detectar parámetros únicos, monitorear la salud del equipo y realizar calibraciones de campo. Los ejemplos comunes incluyen monitores de vibración de eje, monitores de desplazamiento de eje, tacómetros, instrumentos de pesaje, medidores de espesor, calibradores de señal, detectores de llama, analizadores de humedad en línea, medidores de densidad en línea e instrumentos de monitoreo de condición de equipo.

Los instrumentos para medir la vibración del eje, el desplazamiento del eje y la velocidad de rotación se utilizan típicamente en equipos rotativos como compresores, turbinas de vapor, ventiladores y bombas. Los instrumentos de pesaje se utilizan en silos, cintas transportadoras y sistemas de dosificación o envasado. Los medidores de espesor se utilizan para medir el espesor de placas, tuberías y paredes de recipientes, así como el espesor de recubrimientos. Los detectores de llama se utilizan comúnmente para la protección de combustión en calderas, hornos de calefacción e incineradores.

La selección de estos instrumentos requiere considerar factores como el tipo de equipo, el parámetro que se mide, la ubicación de instalación, la velocidad de respuesta, las señales de salida y los requisitos de protección.

VIII. Puntos clave para la selección y el uso en el sitio

Al seleccionar instrumentos de automatización, uno no debe centrarse únicamente en el número de modelo y el precio.

Primero, identifique el parámetro a medir; luego, determine el rango de medición, la precisión, los materiales de construcción, el método de instalación, la fuente de alimentación y la señal de salida.

Si el medio es corrosivo, las partes mojadas deben estar hechas del material apropiado. Para medios de alta temperatura, considere la disipación de calor, la condensación, el aislamiento y los termopozos. Si el medio es propenso a la cristalización o al bloqueo, o contiene impurezas, considere el uso de diafragmas, purga, lavado o pretratamiento de muestras. En áreas con vibración significativa, considere el montaje en soporte y la ubicación de instalación.

Una vez que el instrumento entra en servicio, revise regularmente el punto cero, el alcance, el cableado, la fuente de alimentación, la conexión a tierra, la comunicación, las salidas de alarma y el estado de enclavamiento.

Al solucionar problemas en el sitio, siga esta secuencia: verifique la fuente de alimentación, luego la señal, luego el cableado, luego la configuración de los parámetros y finalmente el elemento sensor y las condiciones del proceso.

Resumen

La clasificación de los instrumentos de automatización no es difícil de recordar, ya que cada tipo realiza una función específica.

Por ejemplo, los instrumentos de medición recopilan datos; los instrumentos de control manejan el procesamiento de señales; los actuadores realizan acciones físicas en el campo; los instrumentos de visualización y registro muestran y guardan datos; los instrumentos de regulación y control gestionan el control y los enclavamientos; y los instrumentos de medición especializados detectan parámetros únicos.

Cuando esté realmente en el sitio, no vea un instrumento como un dispositivo aislado. Considéelo dentro del contexto de todo el bucle de control, y muchos problemas serán más fáciles de diagnosticar.